JP2010078345A - 検出センサ、振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子の材料に異方性材料の単結晶シリコンを用いた場合でも、保持構造を簡易なものとしつつ、ディスク状の振動子の振動を妨げずに高いＱ値を得ることができる検出センサ、振動子を提供することを目的とする。
【解決手段】単結晶シリコンからなる振動子２０において、振動子の中心を通り、かつ振動子の結晶方位に平行な基準軸に対し、±２５．８°±５°のいずれかの範囲内で支持部材により支持した。また、Ｒａｄｉａｌ成分とＴａｎｇｅｎｔｉａｌ成分の振動のない部位である不動点において、振動子２０側の境界条件をＰｉｎｎｅｄ、振動子２０を支持するアンカー側の境界条件をＣｌａｍｐｅｄとして設定されたシングルスパンビームからなる支持部材２２によって支持するのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、質量を有した物質の有無の検出、物質の質量の検出等を行うために用いるのに適した検出センサ、振動子に関する。

従来、マイクロマシン／ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）に用いる微細加工技術は、半導体の微細化に伴って発展してきた加工技術に牽引される形で進展してきたが、ＭＥＭＳが技術分野として確立しつつある近年は、立体構造を含む複雑高度な微細加工技術として独自に発展してきている。このＭＥＭＳ加工技術を用いることで機械型の振動子を極めて小さく作ることが可能になった。その結果、振動子の振動周波数がＧＨｚ帯に到達するにまで高くなった。また、材料に単結晶シリコンを用いることで半導体回路との一体化も可能になることで、大きな市場性が見込めることから、これを目指した研究にも発展しつつある。

一方、ディスク状の振動子の機械的振動に関する基礎的研究は古くから行われてきており、ディスク状の振動子の振動状態を規定する振動モードや振動周波数等の基礎的研究は既に終了したと言ってもよい。現在はマイクロマシン／ＭＥＭＳ技術によって製作された振動子の高周波信号濾波器への応用を目的とした研究が盛んに行われている。
これに伴う研究課題として、ＭＥＭＳ化した場合の振動子の保持法、振動子の駆動・検出法や、濾波器への応用を目的とした振動子の組み合わせによる特性制御などの研究が行われている（例えば、非特許文献１参照。）。

振動子を評価するパラメータであるＱ値は、振動子が振動エネルギを失わずにいられるかによって決まり、式（１）のような関係で表すことができる。

すなわち、振動子の振動エネルギが失われる主な原因として、
１）空気など周囲の媒質による損失Ｑ_ａｉｒ、
２）振動子が振動し変形することによって生じる損失Ｑ_ＴＥＤ、
３）振動子の支持部材による損失Ｑ_{ａｎｃｈｏｒ Ｌｏｓｓ}、
およびその他の損失Ｑ_{ｏｔｈｅｒｓ}が考えられている。

１）のＱ_ａｉｒを決める空気を代表とする周囲の媒質へのエネルギ損失を少なくするためは、振動子の振動を制御して、振動子の振動エネルギは大きいが周囲の媒質へのエネルギ移動が少ない振動モードを選ぶことで対処している。例えばディスク状の振動子は振動子のディスク面内方向（円柱座標で言えばｒ、θ方向）にだけ振動し、太鼓の膜のようにＺ方向に振動して大きな振動エネルギを周囲の媒質に移動することが少ない。

また２）のＱ_ＴＥＤは、振動子が振動することで変形し、この変形により断熱膨張や断熱圧縮が起こる。このため断熱膨張領域は冷え、逆に断熱圧縮する領域は熱くなり、振動子に温度傾斜が生まれて、その温度が伝導して平均化することでエネルギが失われると言われている。すなわちこのエネルギ損失は振動子の振動モードと振動子の材質によって決まるものと言える。

さて３）のＱ_{ａｎｃｈｏｒ Ｌｏｓｓ}は振動子の保持部による損失で、保持部に振動子の振動が伝わることによって生ずる。例えば振動子が振動しない所に保持部を設けることによってエネルギ損失を無くすことが可能になると考えられるが、通常のディスク状の振動子では、ポリシリコン（ｐＳｉ）等の等方性の材料を用いる限り、理論的にこの様な条件は無いことが判明している。

そこで、本発明者らは、ディスク状の振動子を穴あきとし、その内径と外径の比を適切に選択すること外径部もしくは内径部において振動しない不動点を存在させ、その不動点を保持することで、保持損失を改善する方法を既に提案した（特許文献１参照。）。

C. T.-C. Nguyen, "Vibrating RF MEMS Technology : Fuel for an Integrated MicrochemicalCircuit Revolution?." The 13th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers`05), Korea, June 5-9, 2005 特開２００７−２４８３２４号公報

振動子の材料としては、容易かつ安価に使用できる単結晶シリコン（Ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ：ＳＣＳ）が着目されている。上述したようなポリシリコンのような等方性材料の場合には、振動に関する運動方程式が確立しているため、振動子を穴あきとすることで理論的に不動点の存在を探る事が可能であったが、単結晶シリコンは異方性材料のため、振動子の外径部や内径部に不動点を見出すことが難しい。
（１，ｍ）モードを除き、振動子の中心は全く振動しないことが知られているため、異方性材料を用いた振動子では、振動子の中心を保持する方法が専ら採用されている。ただし、この保持方法は大きな円盤の中心に保持構造を設ける事になるため作成工程が大幅に複雑になってしまうという問題がある。
本発明は、この様な不都合を除去するためなされたもので、振動子の材料に異方性材料の単結晶シリコンを用いた場合でも、保持構造を簡易なものとしつつ、ディスク状の振動子の振動を妨げずに高いＱ値を得ることができる検出センサ、振動子を提供することを目的とする。

本発明者らが、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねる過程で、上記特許文献１にも記載した、穴あきの振動子の外径と内径との比が０．７３の場合には、（３，１）モードのときに、材料のポアソン比σが大きく変わっても不動点は殆んど変わらないことに着目した。
等方性材料については理論的に不動点を求めることができ、（３，１）モードで外径と内径との比が０．７３の振動子の場合には、特許文献１に示すようにポアソン比が０から０．５の間ではＶ（Ｒａ）＝０になることが知られている。これは基本的にはポアソン比が、後述の振動振幅の関係式（２）を支配しており、他のパラメータのヤング率、周波数、外径などは共通した係数と見ることができるためである。
一方、単結晶シリコンの場合には結晶配向によって、ヤング率Ｅは［１００］方向から［１１０］方向に向って１３０ＧＰａから１６９ＧＰａまで増えてゆき、ポアソン比σは０．２７９から０．０６４まで連続的に減少する。単結晶シリコンのポアソン比の変化範囲は０．０６４から０．２７９の間であることから、（３，１）モードで外径と内径との比が０．７３の場合には、単結晶シリコンを振動子の材料に選んでも外径に不動点は存在すると、本発明者らは推定したのである。

ここで、材料が等方性である場合のディスク状の振動子についての理論的考察について示す。
図１に示すように、外径がＲａ、内径がＲｂの円形ディスク状で穴あきの振動子の場合、ｒ方向の変位Ｕ（ｒ，θ）とθ方向の変位Ｖ（ｒ，θ）は式（２）の通りに示される。

ここで、特許文献１に詳述しているように、式（２）における穴あきのディスク状の振動子は、外径部および内径部において何ら支持されていないＦｒｅｅ−Ｆｒｅｅ条件であることから、外径部および内径部ではｒ方向とθ方向の残留ストレスが共に０である。そこで、４つの境界条件を定めることができる。このことから共振周波数やＢ／Ａ，Ｃ／Ａ，Ｄ／Ａのような係数の比を求めることが出来る。またこの関係は解析全体が式（３）に示す通りのｎ次の狭義のＢｅｓｓｅｌ関数Ｊ（ｚ）とＮｅｕｍａｎｎ関数Ｙ（ｚ）からなっているので周期関数であり、周期的に共振周波数などの各種特性が次々と計算される。これを周波数の低い順番にｍで表し、先に示したＢｅｓｓｅｌ関数の次数ｎと組み合わせて（ｎ，ｍ）モードと呼んでいる。

上記の解析は、これまで示してきたとおり、穴あきのディスク状の振動子に対するものである。この振動子の外径Ｒａと内径Ｒｂの比を変えることにより式（３）に示すＵ（ｒ）とＶ（ｒ）の値が変わり、外径Ｒａと内径Ｒｂの比が特定の値になった時、Ｕ（ｒ）またはＶ（ｒ）が外径Ｒａもしくは内径Ｒｂにおいて０になることが起こる。例えば振動子の外径ＲａにおいてＵ（Ｒａ）＝０になる場合には、Ｖ（Ｒａ）≠０であっても、式（２）に示すようにθ方向の変位は、これにｓｉｎ（ｎθ）をかけたものであるから、ｓｉｎ（ｎθ）＝０となる位置ではθ方向の変位も０になり完全な不動点になる。この不動点で振動子を保持すれば振動子の振動を妨げる事はない。逆にＶ（Ｒａ）＝０の場合には、Ｕ（Ｒａ）≠０であってもｒ方向の変位はこれにｃｏｓ（ｎθ）をかけたものであるからｃｏｓ（ｎθ）＝０となる位置で保持すれば良い事になる。

例えば、Ｒｂ／Ｒａ＝０．７３の場合、振動モード（３，１）では、式（２）に示すｒ方向の変位Ｕ（ｒ）、およびθ方向の変位Ｖ（ｒ）は、図２に示すようになる。
この図２に示すように、この場合の振動子は、外径Ｒａにおいてθ方向の振動成分Ｖ（ｒ）｜_ｒ＝Ｒａは常に０で、ｒ方向の振動成分は式（２）によりｃｏｓ（３θ）＝０になるθで０になり、その位置ではθ方向にもｒ方向に全く振動しないため不動点になる。

この様に振動子材料が等方性の材料であれば、振動子の運動は解析的に知ることができる。しかしながら、最もＭＥＭＳ材料として用いられている単結晶シリコンは、結晶であることから結晶方位によって異なる機械特性を示す異方性材料である。このためヤング率などの機械特性は、テンソルとして取り扱う事になり解析を極めて難しくしている。
このため現実的には異方性材料であっても解析可能な有限要素法による電算機シミュレーションを基礎にして解析や検討を行うのが一般的である。
この場合、電算機シミュレーションを繰り返して一定の方向性を得たのち、さらに条件を絞り込んで振動子の設計条件まで確定していくことを行うが、これには多大の時間と労力を必要とする。この様に異方性材料に対する確定された解析解が無い現状では、電算機シミュレーションを繰り返す力ずくの検討を行うしかない現状である。

そこで、本発明者らは、前述した推定に基づき、理論的に解析が済んでいる等方性材料（例えばｐｏｌｙ Ｓｉｌｉｃｏｎ：ｐＳｉ）についての検討を基礎に、容易かつ安価に材料が入手できる単結晶シリコンを代表とする異方性材料を用いたディスク状の振動子について検討を進めた。先に述べた通りの理由により、異方性材料を用いた振動子の理論検討は非常に難しいことから、ここでも異方性材料での検討が可能な有限要素法によるシミュレーションを行うことによって最終的な結論を得る形で検討を行った。

その結果、例えば単結晶シリコンを用いた平面機械型の振動子において有限要素法によりシミュレートすると、最も低い振動周波数を有する（２，１）モードの場合には、どの方向に振動させるかで振動周波数が変わる事が判った。
すなわち、
１）単結晶シリコン基板のオリエンテーションフラット（結晶方位）と平行もしくは直角な方向に振動させた場合には、外径１００μｍの振動子では周波数２１．７５ＭＨｚで振動するとシミュレートできる。
２）単結晶シリコン基板のオリエンテーションフラットに対して４５度方向に振動させると１７．４９ＭＨｚで振動するとシミュレートできる。

一方、上記と同条件で、基板材料のみ理論解析が可能な等方性材料に置き換えて解析を行うと、単結晶シリコンの〈１１０〉方向のヤング率Ｅ＝１６９ＧＰａ，ポアソン比σ＝０．０６４である等方性材料での理論計算値が２１．７４ＭＨｚとなり、１）の場合に極めて近い値になり、単結晶シリコンの〈１００〉方向のＥ＝１３０ＧＰａ，σ＝０．２７９とした場合の理論計算値が１７．４４ＭＨｚとなり、２）の場合に極めて近い値になる。
これは異方性材料では振動子が大きく振動する方向での機械特性が、振動子の振動特性を支配している事を示すものである。この様子を図３に示す。図３は、単結晶シリコンを材料とする（２，１）モードの振動（オリエンテーションフラットは図の左右方向）を、有限要素法により解析した解析結果であり、振幅の大きさを、淡色（振幅が小さい）〜濃色（振幅が大きい）の９段階で示している。なお、他図（図５〜図８）の解析結果も同様にして示してある。
この様な考察を重ねる事を通じて、まずモード（ｎ，ｍ）でｎが奇数のモードの場合には、振動周波数はヤング率Ｅとポアソン比σの〈１１０〉方向と〈１００〉方向における算術平均の値を用いると近似的に計算できることを知ることが出来た。この値（Ｅ＝１５０ＧＰａ，σ＝０．１７０）を用いて（３，１）モードについて解析的な検討を行ったところ振動周波数は２９．９２ＭＨｚと求めることができた。
この単結晶シリコンを材料とする（３，１）モードについて、解析的な検討が可能な等方性材料とみなして、さらに詳しく調べたところ、図４に示す通り、θ方向の変位Ｖ（ｒ）が、外径部Ｒａの近くでほぼ０になっている事が判った。図４は、基板材料を等方性とみなして求めた（３，１）モードのｒ方向の変位Ｕ（ｒ）とθ方向の変位Ｖ（ｒ）を示すものであり、ｆ＝２９．９２ＭＨｚ，Ｒａ＝１００μｍ（Ｅ＝１５０ＧＰａ，σ＝０．１７０，ρ＝２３２８ｋｇ／ｍ^３）である。

この結果から、本発明者らは、単結晶シリコンを材料とする場合には、穴のない全くの円形ディスク状の平面機械型の振動子の場合でも、外径部に不動点が存在する可能性があると想定し、有限要素法によるシミュレーションを行った。その結果を図５に示す。ここで、図５のシミュレーション条件は、振動子の大きさは半径１００μｍ、厚さ２μｍで、振動子材料として異方性材料の単結晶シリコンとした。図５は、この条件でシミュレートした結果で、振動周波数の低い順に９番目まで並べたものある。それぞれの振動姿態の右上に、振動モードと振動周波数を追記してある。
この中で、本発明者らは、中段右にある（３，１）モードシミュレーション結果に着目した。このモードの振動姿態を注視すると、振動子の外径部において４ヶ所の不動点が観察され、さらに外径部より少し内側で２ヶ所の不動点が存在すると観察される。しかも外径部にある４ヶ所の不動点の位置のなす角度が、等方性材料の場合の６０°とは異なり、幾分狭い。

そこで、振動子の外径部の４ヶ所を不動点と考え、そこに長さ１μｍ、幅１μｍの微小な支持部を設け、その先端を固定条件とし、中心と結ぶ線の角度を少しずつ変えながら周波数と振動姿態の乱れを観察した。図５の中段右の図に比べて変動の最も少ない角度を求めたところ、５１．６°であることが判った。このときの振動姿態と振動周波数を図６に示す。
このときの振動周波数は３０．０４０ＭＨｚであった。図５に示す理想状態では３０．０３９ＭＨｚであり、その違いは非常に小さく差は０．００３％であった。これはメッシュ分割で求める有限要素法の計算誤差を考慮すると一致しているとみても差し支えないと考えられる。すなわちこの４ヶ所の点は振動子が全く振動しない不動点と考えられることを示している。なお、図５中段右の図と、図６では振動方向が９０°違うが、単結晶シリコン基板ではオリエンテーションフラットと平行ならびに直角方向の結晶配向は〈１１０〉であり、基本的に同じ振動である。なおオリエンテーションフラットに対して±４５°方向の結晶配向は〈１００〉で、その方向のヤング率はＥ＝１３０ＧＰａ，ポアソン比σ＝０．２７９である。

さらに、図５中段右の図をさらによく観察すると、直角からすこし偏っている。このことは偏りが小さければ全体が偏っても自由振動に大きく影響しないことを示していると考えることができる。このことから、先に見出した保持条件の角度５１．６°を保ちながら、全体を５°刻みで回転させたときの影響を調べてみた。その結果を図７に示す。
図７から分かるように、上段中の５°角度を変えた場合には、周波数の変動δｆは０．０７％と小さい。さらに、外径部上にある４つの不動点のうち、２つは外径部の内側へ、残る２つは外径部の外側に不動点がわずかながら移動しているが、振動姿態は保持しているように観察される。１０°変えた場合には、周波数の変化は０．１８％であるが、不動点の移動の傾向が明らかに強くなり、振動姿態にも最も振幅の大きい箇所が４ヶ所から２ヶ所に減っている等の明らかな変化がみられる。またこれ以上角度を変えると通常の振動姿態とは異なってきていると言わざるを得ない。このことは、保持角度の誤差は５°程度が限度である事を示している。

ここまで４ヶ所の不動点を４ヶ所とも保持した場合を示したが、この４ヵ所のうち任意の１ヶ所を保持しても全く同じ状況が見られる。
この様子を図８に示す。図８においては、図中４箇所の矢印の部分を支持部とした。この例の支持部の寸法は幅４μｍ 長さ４μｍと、先の例に比べて寸法で４倍大きい。図６に示した４ヵ所保持の場合と比べて振動姿態、振動周波数共に全くと言って良いほど変化が無い。すなわちオリエンテーションフラットとなす角度を、不動点のなす角度５１．６°の半分である角度２５．８°とすれば１ヶ所で保持してもこの（３，１）モードの振動特性には殆んど影響を与えないことをしめしている。これはこの不動点であれば１から４ヵ所の任意の保持ができることを示すものである。

ところで、特許文献１により提案した手法において、不動点は点であり、実際には振動子を点で保持することは現実的には難しい。本発明者らの研究により、不動点の近傍では円運動が起っている場合があり、その場合には、Ｃｌａｍｐｅｄ−Ｐｉｎｎｅｄを境界条件とするＳｉｎｇｌｅ−Ｓｐａｎ Ｂｅａｍを用いる保持方法が有効であることを見出し、これを既に提案した（特願２００７−２５５５４９号）。
この保持方法は、本検討においても有効であると考えられ、保持機構として振動子と同じ周波数を持つＣｌａｍｐｅｄ−Ｐｉｎｎｅｄ条件のＳｉｎｇｌｅ−Ｓｐａｎ Ｂｅａｍ（Ｌ＝２６．３μｍ，Ｗ＝４．０３μｍ）を用いることで対応する事を検討した。この場合にはシミュレーションによれば振動周波数は３０．０４１ＭＨｚとなった。

さてここまでは、振動子の材料に単結晶シリコンを用いた場合でも、（３，１）モードの場合には穴無しでも振動子の外径部に不動点があり、この不動点を保持する方法を述べてきた。そして、少なくとも互いにオリエンテーションフラットの面に対して±２５．８°の角度にある不動点を保持する限り（３，１）モードに対しては大きな影響がなく保持できることを示した。
しかし、現実には表１に示すように、（３，１）モードの周りには沢山の振動モードが存在する。この様な振動子の使用にあたっては、これら周辺にある振動モードにおける振動は小さく、目標とする振動モードが大きく振動する形が望ましいのは言うまでもない。各振動モードが最も大きく振動する場合は、保持の影響が無くディスク状の振動子として自由振動を行う場合であり、その条件でシミュレートした振動周波数を表１の検討例１に、理想振動子ＳＣＳの計算条件として記した。実際には保持機構の影響で振動周波数は変化するが、この保持による変化量が大きければ理想的な自由振動からの隔たりが大きい事になり、一般的には効率の悪い振動、すなわちＱ−ｆａｃｔｏｒの小さな振動になったものと考えることができる。

表１は、この様な考え方に立ち、単結晶シリコンを材料とする（３，１）モード振動子に対する３種類の保持方法に対して、（３，１）モードそれ自身への影響を含めた周辺の振動モード影響を周波数変動として捉えて表にしたものである。
検討例２は４本のＣｌａｍｐｅｄ−Ｐｉｎｎｅｄ条件のＳｉｎｇｌｅ−Ｓｐａｎ Ｂｅａｍで振動子を保持した場合で、（３，１）モードへの影響は０．０１％（振動周波数３０．０４２ＭＨｚ）であり、他の振動モードへの影響もかなり大きい。しかし周波数変動で１％以下しか影響しないものも３種類含まれる。
これに対して検討例３は４本のＬ＝４．０μｍ，Ｗ＝４．０μｍの小さな梁で振動子を保持した場合である。この場合には（３，１）モードへの影響も０．０３％と小さいながら観測される。しかしながら周辺の他の振動モードへの影響は、最低でも３％以上と非常に大きく、実際にはこれら他の振動モードは振動できない可能性がある。
さらに検討例４は、１本のＬ＝４．０μｍ，Ｗ＝４．０μｍの小さな梁で振動子を保持した場合で、この場合は、（３，１）モードへの影響も含めて第３段目に上げた例と定性ならびに定量的にも近い傾向を示していることが判る。

上記のようにして得られた知見によりなされた本発明の検出センサは、単結晶シリコンから形成され、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化するディスク状の振動子と、振動子を、高調波振動の次数ｍ＝１、振動モードのモード数ｎ＝３とした（３，１）モードで振動させる駆動部と、振動子における振動の変化を検出することで、物質を検出する検出部と、を備え、振動子は、支持部材により振動子の外径部分が少なくとも１箇所で支持され、支持部材は、振動子の中心を通り、かつ振動子の結晶方位に平行な基準軸に対し、±２５．８°±５°のいずれかの範囲内で振動子を支持していることを特徴とする。
このような振動子は、振動子の結晶方位に平行な基準軸に対し、±２５．８°±５°の範囲内は、不動点、もしくは変位が少ないため、前記の範囲内で振動子を支持することで、単結晶シリコンから振動子を形成した場合にも、振動子の感度を向上させることができる。

振動子は、少なくとも一か所で上記範囲内で支持すればよいが、外径部の四か所において支持部材により支持することができる。この場合、振動子の結晶方位に平行な基準軸に対し、＋２５．８度±５度、−２５．８度±５度の外径部の４箇所で振動子を保持することになる。

また、振動子を穴あきとする場合、振動子は、外径がＲａとされ、中央部に開口部が形成されることで内径がＲｂとされたリング状で、振動子が振動したときの位置座標（ｒ、θ）における位置ｒでの、式（３）で表されるＲａｄｉａｌ方向の変位Ｕ（ｒ）、Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ方向の変位Ｖ（ｒ）が、ｒ＝ＲａまたはＲｂとしたときにＵ（ｒ）＝０またはＶ（ｒ）＝０をほぼ満足する外径Ｒａと内径Ｒｂで振動子が形成される。

また、本発明は、振動子は、振動子側の境界条件をピン支承（Ｐｉｎｎｅｄ）、振動子を支持するアンカー側の境界条件を固定（Ｃｌａｍｐｅｄ）として設定されたシングルスパンビーム（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｓｐａｎ Ｂｅａｍ）によってアンカーに支持されていることを特徴とすることができる。
ここで、シングルスパンビームは、その振動周波数が振動子の振動周波数とほぼ等しくなるように、その長さと幅が設定する。

また、支持部材は、その長さを振動子の半径の５％以下にするのが好ましい。

検出部は、振動子に付着した物質の量を検出することができる。
物質を付着または吸着させるには、例えば、振動子の表面に、分子の吸着を効率よく行えるような吸着材料を付加しても良い。これには、グローバルな認識材と、選択認識材がある。グローバルな認識材は、選択性は強くないが、ある特定の分子群、例えばアルコールやエーテル等を吸着するポリマーである。これらのポリマーをナノファイバー化したり、またポーラスにして表面積を増やすことも有効である。また選択性の強い認識材としては、抗原−抗体反応を起こすような生物由来の材料や、アクセプター−レセプターの組み合わせや、遺伝子やＤＮＡ、ＲＮＡとハイブリダイゼーションする特定の塩基配列を持ったプローブ等がある。また、脂質二重膜でも良い。

このような検出センサにおいては、検出対象となる物質を特定の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子とすることができる。これにより、例えば、ガス検出センサ、匂いセンサ等に本検出センサを用いることができる。これには、特定の分子としてガスや生体由来の分子、生活空間の浮遊分子、揮発性分子等を対象とする場合、特定種の分子のみを高い選択性を持って検出するのが望ましい。また、このように選択性の高い検出センサを複数用い、複数種の分子を認識したり、用途の応用範囲を広げることができる。また、グローバル認識と称される、特定の特徴を持った分子群や、同じ側鎖を持つ分子群等を検出することもできる。この場合、検出センサを複数用い、これら複数の検出センサ間における検出能の差から、信号処理やソフトフェアを用いた処理等によって分子群の認識を行うようにしても良い。また、液中で動作するように構成を変更して、特定のたんぱく質や酵素、糖鎖等を検出しても良い。

微小質量の検出は、薄膜形成の際の膜厚モニタ、抗体抗原反応や蛋白質吸着作用などのバイオ研究にも用いることができる。本発明の検出センサは、このような用途に好適である。
また、小型で安定な高感度な家庭用や個人用のガスセンサや、携帯性に優れる使い捨て型で空気中などに浮遊する有害物質の検出等の用途にも、本発明の検出センサや振動子を用いることも考えられる。更に高感度化が進めばその応用範囲はさらに広がり、「におい」の検出識別が可能となるまで発展することが可能であり、さらにこれ以外の用途に対しても、本発明の検出センサの利用を妨げるものではない。
しかも本発明の検出センサは、いわゆるＳｉ単結晶を構造材料として用いることで、ＭＥＭＳ技術により製造することができることから、Ｓｉ半導体と同一チップ内へ作り込むことも可能となる。その場合、極めて安価でしかも高性能な微小物質の検出装置とすることができる。

本発明の振動子は、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化するディスク状の振動子であって、振動子は、単結晶シリコンから形成され、支持部材により振動子の外径部分が、振動子の中心を通り、かつ振動子の結晶方位に平行な基準軸に対し、±２５．８°±５°のいずれかの範囲内となる少なくとも１箇所で支持されていることを特徴とする。

本発明によれば、単結晶シリコンから振動子を形成した場合にも、振動子を外径部で支持することが可能となり、これによって単結晶シリコンを構造材料として用いることが実現され、振動子の感度を向上させ、高感度な質量の物体の検出や、質量の検出を行うことが可能となる。また、単結晶シリコンを用いることで、支持部材を簡易なものとしつつ、安価でかつ製造時にも取り扱いが容易となる。また、単結晶シリコンからなる振動子は、ＭＥＭＳ技術によって製造することができることから、Ｓｉ半導体と同一チップ内にセンサを組み込んで作ることも可能となる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態におけるセンサ（検出センサ）１０の基本的な構成を説明するための図である。
この図１に示すセンサ１０は、質量を有した分子等の検出対象物が付着すると振動周波数が変化する振動子２０と、ディスク状の振動子２０を振動させるとともに、振動子２０における振動特性の変化を検出する駆動・検出部３０と、を備えている。

振動子２０は、単結晶シリコンからなり、ディスク状で、全体として円形、矩形、あるいは適宜他の形状を有している。ここで、振動子２０は、穴なしとすることもできるが、振動子２０には、その中央部に開口部２１を形成することもできる。そして、開口部２１を形成した場合、振動子２０の外径をＲａ、開口部２１の径をＲｂとすると、振動子２０は、振動子２０が振動したときの位置座標（ｒ、θ）における位置ｒでの、式（３）で表されるＲａｄｉａｌ方向の変位Ｕ（ｒ）、Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ方向の変位Ｖ（ｒ）が、ｒ＝ＲａまたはＲｂとしたときにＵ（ｒ）＝０またはＶ（ｒ）＝０をほぼ満足するように、振動子２０の外径Ｒａ、開口部２１の径（振動子２０の内径）Ｒｂを設定するのが好ましい。

駆動・検出部３０では、外部の図示しないコントローラで発生する電流によって、静電効果やピエゾ効果（圧電効果）を用い、振動子２０を、（３，１）モードで振動させる。
また、駆動・検出部３０は、静電効果やピエゾ効果により、振動子２０における振動を検出し、電気信号として出力するようになっている。このとき、振動子２０に質量を有した物質が付着すると、その質量の影響を受けて振動子２０の振動数が変化する。駆動・検出部３０から出力される電気的な振動を図示しないコントローラでモニタリングすることで、振動子２０への物質の付着の有無、あるいは振動子２０への物質の付着量を検出することが可能となっている。
なお、本発明においては、駆動・検出部３０における振動子２０の駆動方式、検出方式を何ら問うものではなく、適宜他の手法を用いることが可能である。

このようなセンサ１０において、この振動子２０は、外径部の所定の位置に接続された支持部材２２のみによって基板５０に支持され、残る他の部分は全てフリー状態とされている。
支持部材２２は、振動子２０を構成する単結晶シリコンの結晶方位と平行な基準軸Ｓに対し、θ＝±２５．８度±５度の少なくとも一つの範囲内に設けられている。
これは、図５、図６を示しつつ前述で説明したように、振動子２０の外径部の４ヶ所を不動点と考え、そこに長さ１μｍ、幅１μｍの微小な支持部を設け、その先端を固定条件とし、中心と結ぶ線の角度を少しずつ変えながら周波数と振動姿態の乱れを観察したときに、図５の中段右の図に比べて変動の最も少ない角度を求めたところ、５１．６°であったことに基づく。
また、図７に示したように、保持条件の角度５１．６°を保ちながら、全体を５°刻みで回転させたときの影響を調べた結果、角度を１０°変えた場合には、不動点の移動の傾向が明らかに強くなり、振動姿態にも最も振動している所が４ヶ所から２ヶ所に減っている等の明らかな変化がみられることに基づく。
さらに、４ヵ所の不動点のうち、任意の１ヶ所を保持した場合においても、図８に示したように、（３，１）モードの振動特性には殆んど影響を与えないことが示されていることに基づく。

上述したように、振動子２０に存在する不動点で振動子２０を保持することで、振動子２０の共振振動に全く影響を与えず振動子２０を保持することが可能となり、極めてＱの高い振動子２０が提供できる。

ところで、不動点の近傍では、不動点を中心とするシーソー運動が生じていると考えられる。この場合には、不動点を中心として支えとして微小な振幅でシーソー運動をしているので、この場所に接続した支持部材２２の端はシーソー運動をし、他の端は固定されていることになる。シーソー運動は、一般的な境界条件で言えば、点の場合には‘Ｐｉｎｎｅｄ’、線の場合には‘Ｓｉｍｐｌｙ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ’に相当する。
すなわち、支持部材２２を「棒もしくは同等の構造物」と考えて設計する場合にはＰｉｎｎｅｄ−Ｃｌａｍｐｅｄを境界条件とするＳｉｎｇｌｅ−Ｓｐａｎ Ｂｅａｍがこれに当てはまることになる。

支持部材２２をＳｉｎｇｌｅ−Ｓｐａｎ Ｂｅａｍと考える場合、その共振周波数ｆ_ｉは次式（４）のようになる。

ここにｉ：Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｏｒｄｅｒ、Ｌ：Ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｂｅａｍ、Ｅ：Ｙｏｕｎｇ’ｓ Ｍｏｄｕｌｕｓ、Ｉ：Ａｒｅａ Ｍｏｍｅｎｔ、ｍ：Ｍａｓｓ ｐｅｒ Ｕｎｉｔ Ｌｅｎｇｔｈ、ρ：Ｄｅｎｓｉｔｙ、ｄ：Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｂｅａｍ である。なおλ_ｉは次式（５）で与えることができる。

また、支持部材２２の長さは、振動子２０の半径の５％以下とするのが好ましい。
表１に示したように、４本のＣｌａｍｐｅｄ−Ｐｉｎｎｅｄ条件のＳｉｎｇｌｅ−Ｓｐａｎ Ｂｅａｍで振動子２０を保持した場合、（３，１）モードへの影響は０．０１％（振動周波数３０．０４２ＭＨｚ）であり、他の振動モードへの影響もかなり大きい。しかし周波数変動で１％以下しか影響しないものも３種類含まれる。これに対し、４本のＬ＝４．０μｍ，Ｗ＝４．０μｍの小さな梁で振動子を保持した場合、（３，１）モードへの影響も０．０３％と小さいながら観測されるものの、周辺の他の振動モードへの影響は、最低でも３％以上と非常に大きく、実際にはこれら他の振動モードは振動できない。また、１本のＬ＝４．０μｍ，Ｗ＝４．０μｍの小さな梁で振動子を保持した場合でも、（３，１）モードへの影響も含めて、４本の小さな梁で振動子２０を保持した場合と定性ならびに定量的にも近い傾向を示していることに基づく。

上述したようなセンサ１０によれば、振動子２０において、Ｒａｄｉａｌ成分とＴａｎｇｅｎｔｉａｌ成分の振動のない部位である不動点において、振動子２０側の境界条件をＰｉｎｎｅｄ、振動子２０を支持するアンカー側の境界条件をＣｌａｍｐｅｄとして設定されたシングルスパンビームからなる支持部材２２によって支持することで、振動子２０の振動エネルギが支持部材２２を通じて失われるのを防ぎ、振動姿態が乱される状態を回避し、センサ１０の高感度化を実現できる。

このようにして、センサ１０においては高感度な質量の物体の検出や、質量の検出を行うことが可能となる。また、振動子２０は、支持部材２２を簡易なものとしつつ、異方性材料である、いわゆる単結晶シリコンを構造材料として用いて高いＱ値を得ることが可能となる。単結晶シリコンは、安価でかつ取り扱いも容易にＭＥＭＳ技術によって製造することができることから、Ｓｉ半導体と同一チップ内にセンサ１０を組み込んで作ることも可能となる。

ところで、上記では、センサ１０の構成については、本発明の主旨を逸脱しない限り、適宜他の構成に変更することができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態のセンサの構成を示す図である。 （３，１）モードにおける、ディスク状の振動子の外径と内径の比と、ｒ方向の変位Ｕ（ｒ）とθ方向の変位Ｖ（ｒ）との関係を示す図である。 単結晶シリコンを材料とした振動子における（２，１）モードの振動を、有限要素法により解析した解析結果であり、（ａ）は結晶方位と平行または直角な方向に振動させたときの解析結果、（ｂ）は結晶方位に対して４５度方向に振動させたときの解析結果を示す図である。 振動子材料が等方性であると仮定して求めた、（３，１）モードにおける、ディスク状の振動子の外径と内径の比と、ｒ方向の変位Ｕ（ｒ）とθ方向の変位Ｖ（ｒ）との関係を示す図である。 単結晶シリコンを材料とした振動子における、各振動モードにおける振動姿態と振動周波数を、有限要素法により解析した解析結果を示す図である。 外径部４ヶ所で支持した単結晶シリコンからなる振動子の、（３，１）モードにおける振動姿態の解析結果を示す図である。 図６に示した解析結果に対し、支持位置を角度５°ずつ回転させたときの、（３，１）モードにおける振動姿態の解析結果を示す図である。 外径部４ヶ所の不動点のうち１ヶ所を保持した振動子の、（３，１）モードにおける振動姿態の解析結果を示す図である。

符号の説明

１０…検出センサ、２０…振動子、２１…開口部、２２…支持部材、３０…駆動・検出部

Claims (8)

1. 単結晶シリコンから形成され、質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化するディスク状の振動子と、
   前記振動子を、高調波振動の次数ｍ＝１、振動モードのモード数ｎ＝３とした（３，１）モードで振動させる駆動部と、
   前記振動子における振動の変化を検出することで、前記物質を検出する検出部と、を備え、
   前記振動子は、支持部材により前記振動子の外径部分が少なくとも１箇所で支持され、
   前記支持部材は、前記振動子の中心を通りかつ前記振動子の結晶方位に平行な基準軸に対し、±２５．８°±５°のいずれかの範囲内で前記振動子を支持していることを特徴とする検出センサ。
2. 前記振動子は、外径部の四か所において前記支持部材により支持されていることを特徴とする請求項１に記載の検出センサ。
3. 前記支持部材は、前記振動子側の境界条件をピン支承（Pinned）、前記振動子を支持するアンカー側の境界条件を固定（Clamped）として設定されたシングルスパンビーム（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｓｐａｎ Ｂｅａｍ）であり、かつその振動周波数が前記振動子の振動周波数とほぼ等しくなるように、その長さと幅が設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の検出センサ。
4. 前記支持部材は、その長さを前記振動子の半径の５％以下にしたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の検出センサ。
5. 前記振動子は、外径がＲａとされ、中央部に開口部が形成されることで内径がＲｂとされたリング状で、
   前記振動子が振動したときの位置座標（ｒ、θ）における位置ｒでの、式（１）で表されるＲａｄｉａｌ方向の変位Ｕ（ｒ）、Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ方向の変位Ｖ（ｒ）が、ｒ＝ＲａまたはＲｂとしたときにＵ（ｒ）＝０またはＶ（ｒ）＝０をほぼ満足する外径Ｒａと内径Ｒｂで、前記振動子が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の検出センサ。
   
6. 前記検出部は、前記振動子に付着した前記物質の量を検出することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の検出センサ。
7. 前記物質が特定の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の検出センサ。
8. 質量を有した物質の付着または吸着により振動特性が変化するディスク状の振動子であって、
   前記振動子は、単結晶シリコンから形成され、支持部材により前記振動子の外径部分が、前記振動子の中心を通り、かつ前記振動子の結晶方位に平行な基準軸に対し、±２５．８°±５°のいずれかの範囲内となる少なくとも１箇所で支持されていることを特徴とする振動子。